KR102617225B1 - Method and control system using piston amplitude recovery for free piston machines - Google Patents

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Abstract

부하 또는 원동기에 구동 가능하게 결합되는 리니어 모터 또는 교류 발전기의 전기자의 변위 진폭을 검출하기 위한 방법 및 장치가 개시된다. 방법 및 장치는 모두 리니어 모터 또는 교류 발전기의 입력 단자로부터 파생된 다음과 같은 3개의 입력만을 요구한다: (1) 리니어 모터 단자에 걸쳐서 측정된 전압; (2) 리니어 모터에 의해 소비되는 전류; (3) 전압과 전류 사이의 위상. 3개의 입력은 리니어 모터 또는 교류 발전기의 단자에서 감지되고, 제어 시스템 또는 컨트롤러의 마이크로컴퓨터에서 수학적 계산을 수행하는데 사용된다. 수학적 계산은 리니어 모터 또는 교류 발전기를 위한 등가 회로의 수정인 등가 회로에 기초한다. 검출된 변위 진폭은 충돌을 방지하기 위해 전기자의 변위 진폭을 제한하도록 컨트롤러에 의해 사용될 수 있다.A method and apparatus for detecting the displacement amplitude of an armature of a linear motor or alternator driveably coupled to a load or prime mover are disclosed. Both the method and the apparatus require only three inputs derived from the input terminals of the linear motor or alternator: (1) the voltage measured across the linear motor terminals; (2) Current consumed by the linear motor; (3) Phase between voltage and current. The three inputs are sensed at the terminals of a linear motor or alternator and used to perform mathematical calculations in the microcomputer of the control system or controller. The mathematical calculations are based on the equivalent circuit, which is a modification of the equivalent circuit for a linear motor or alternator. The detected displacement amplitude can be used by the controller to limit the displacement amplitude of the armature to prevent collisions.

Description

자유 피스톤 기계를 위한 피스톤 진폭 복구를 사용한 방법 및 제어 시스템Method and control system using piston amplitude recovery for free piston machines

본 발명은 자유 피스톤 스털링 냉각기와 같은 부하를 구동하기 위해 연결된 리니어 모터의 제어, 및 스털링 엔진과 같은 원동기에 의해 구동되도록 연결된 리니어 교류 발전기의 제어 모두에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유일한 입력 파라미터로서, 모터 또는 교류 발전기 단자에서 용이하게 접근 가능한 감지된 전압, 감지된 전류 및 감지된 역률을 요구하는 수학식들에 기초하여 변위 진폭을 계산하는 것에 의해 리니어 모터 또는 교류 발전기의 변위 진폭이 반복적으로 검출되는 것을 가능하게 하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 결과적으로, 어떠한 전기 기계 디바이스도 변위 진폭을 직접 감지하기 위해 요구되지 않는다. 본 발명은 상업적으로 제공되는 제품에서 사용하기 위해 실용적인 컨트롤러 컴퓨팅 회로로 수행될 수 있는 충분히 짧은 시간 간격 내에서 수행될 수 있고 충분히 단순할 수 있는 계산을 가능하게 한다. 본 발명에 적용되는 수학식은, 계산을 단순화하지만 실제 변위 진폭과 계산된 진폭 사이에 사소하고 미미한 차이만을 도입하는 모터 또는 교류 발전기 회로의 특정 수정을 취하는 것에 기초한다.The present invention relates to both the control of a linear motor coupled to drive a load such as a free piston Stirling cooler, and the control of a linear alternator coupled to be driven by a prime mover such as a Stirling engine. More specifically, the present invention describes linear A method and device allows the displacement amplitude of a motor or alternator to be repeatedly detected. As a result, no electromechanical device is required to directly sense the displacement amplitude. The present invention enables calculations that can be performed within sufficiently short time intervals and that are simple enough to be performed with practical controller computing circuits for use in commercially available products. The mathematical expressions applied in the present invention are based on taking certain modifications of the motor or alternator circuit which simplify the calculations but introduce only minor and insignificant differences between the actual displacement amplitude and the calculated amplitude.

본 문서에서 사용된 바와 같이, "진폭"이라는 용어는 피스톤 또는 전기자와 같은 왕복 기계 구조에 적용될 때, 시간의 함수로서 기계 구조의 주기적인 정현파 변위를 정의하는 사인 함수의 계수를 의미한다. 진폭은 통상적으로 스트로크의 절반으로서 지칭된다. 유사하게, 전압 또는 전류와 같이 정현파로 교류하는 전기적 파라미터에 적용될 때, "진폭"은 전기적 파라미터의 순간 값의 변화를 시간의 함수로서 정의하는 사인 함수의 계수를 의미한다. 진폭은 피크 대 피크 값의 절반으로서 지칭된다. 리니어 모터 또는 교류 발전기의 전기자가 다른 구조에 구동 가능하게 링크될 때, 예를 들어, 리니어 모터의 전기자가 스털링 냉각기의 피스톤에 링크될 때, 함께 견고하게 부착된 모든 링크된 구성요소의 변위 진폭은 진폭 및 위상에서 동일하다. 구성요소들이 유닛으로서 함께 움직이기 때문에, 구성요소들은 전기자의 일부로서 참조되고 수학적으로 표현될 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 정현파로 변하는 전압 및 전류는 구성요소들의 진폭 또는 대안적으로 rms 값으로 축약된 그들의 실효값(root-mean-square value)으로 설명될 수 있다. 이러한 것들은 상수 계수 만큼 다르다. 결과적으로, 이 문서에서 설명된 전압 및 전류는 rms 또는 진폭으로 정의될 수 있다.As used herein, the term "amplitude", when applied to a reciprocating mechanical structure such as a piston or armature, means the coefficient of the sine function that defines the periodic sinusoidal displacement of the mechanical structure as a function of time. Amplitude is usually referred to as half the stroke. Similarly, when applied to electrical parameters that alternate sinusoidally, such as voltage or current, "amplitude" means the coefficient of the sine function that defines the change in the instantaneous value of the electrical parameter as a function of time. Amplitude is referred to as half the peak-to-peak value. When the armature of a linear motor or alternator is drivably linked to another structure, for example, when the armature of a linear motor is linked to the piston of a Stirling cooler, the displacement amplitude of all linked components rigidly attached together is are identical in amplitude and phase. Because the components move together as a unit, they can be referenced and expressed mathematically as part of the armature. As is known to those skilled in the art, sinusoidally varying voltages and currents can be described by the amplitudes of the components or alternatively their root-mean-square values, abbreviated as rms values. These are constant coefficients It's so different. As a result, the voltages and currents described in this document can be defined as rms or amplitude.

전기 리니어 모터 및 리니어 교류 발전기는 다양한 기계적 부하를 왕복 운동으로 구동하기 위한 또는 다른 유형의 원동기의 선형 왕복 운동을 교류 전류로 변환하기 위한 통상적으로 공지된 디바이스이다. 당업자는 리니어 모터와 리니어 교류 발전기가 동일한 기본 전기 및 기계 구조인 것을 인식한다. 각각은 전기 코일 권선이 있는, 때때로 1차로서 지칭되는 고정자를 가지며, 때때로 2차 액추에이터, 슬라이더 또는 변환기로서 지칭되는 왕복 전기자를 가진다.Electric linear motors and linear alternators are commonly known devices for driving various mechanical loads in reciprocating motion or for converting the linear reciprocating motion of other types of prime movers into alternating current. Those skilled in the art recognize that linear motors and linear alternators are the same basic electrical and mechanical structure. Each has a stator, sometimes referred to as a primary, with electrical coil windings, and a reciprocating armature, sometimes referred to as a secondary actuator, slider or transducer.

유사한 방식으로, 동일한 기본 기계 구조를 가지는 자유 피스톤 스털링 기계는 열원의 적용에 의해 리니어 교류 발전기를 포함하는 다른 부하를 구동하기 위한 원동기로 작동될 수 있거나, 또는 리니어 모터를 포함하는 원동기에 의해 구동되는 냉각기 또는 히트 펌프로서 작동될 수 있다. 자유 피스톤 스털링 기계는 왕복 피스톤과 왕복 변위기를 가진다. 피스톤은 냉각기/히트 펌프로서 작동하기 위해 원동기에 의해 구동될 수 있거나, 또는 피스톤은 기계적 부하에 연결되고, 스털링 기계는 모터로서 작동될 수 있다. 이 문서에서, "결합된 기계"라는 용어는 스털링 냉각기와 같은 부하를 구동하는 리니어 모터와 스털링 엔진과 같은 원동기에 의해 구동되는 리니어 교류 발전기를 지칭하는데 사용된다. 본 발명은 종래 기술에서 공지된 다양한 결합 기계에 적용 가능하지만, 예를 들어 스털링 냉각기를 구동하는 리니어 모터로서 설명된다.In a similar way, a free piston Stirling machine having the same basic mechanical structure can be operated as a prime mover to drive other loads, including a linear alternator, by the application of a heat source, or driven by a prime mover including a linear motor. It can operate as a cooler or heat pump. A free piston Stirling machine has a reciprocating piston and a reciprocating displacer. The piston can be driven by a prime mover to operate as a cooler/heat pump, or the piston can be connected to a mechanical load and the Stirling machine can be operated as a motor. In this document, the term "combined machine" is used to refer to a linear motor driving a load such as a Stirling cooler and a linear alternator driven by a prime mover such as a Stirling engine. The invention is applicable to a variety of combination machines known in the art, but is illustrated, for example, as a linear motor driving a Stirling cooler.

리니어 모터 또는 교류 발전기의 왕복 진폭과 스털링 기계의 피스톤 왕복 진폭은 크랭크샤프트 및 커넥팅 로드와 같은 임의의 운동 변환 구조에 의해 제한되거나 한정되지 않는다. 대신, 리니어 모터 또는 교류 발전기의 왕복 전기자가 자유 피스톤 스털링 기계의 왕복 피스톤과 같은 다른 기계에 결합될 때, 모든 왕복 구성 요소는 기계 중 하나의 고정 구성요소와 결합된 기계 중 하나의 왕복 구성요소의 충돌에 의해서만 제한되는 변위 진폭의 범위에 걸쳐서 왕복하도록 "자유롭다". The reciprocating amplitude of a linear motor or alternator and the piston reciprocating amplitude of a Stirling machine are not limited or limited by any motion conversion structures such as crankshafts and connecting rods. Instead, when the reciprocating armature of a linear motor or alternator is coupled to another machine, such as the reciprocating piston of a free-piston Stirling machine, all of the reciprocating components are aligned with the fixed components of one of the machines. It is “free” to oscillate over a range of displacement amplitudes limited only by the collision.

이러한 충돌이 결합된 기계 중 어느 하나 또는 둘 모두를 손상시키거나 파괴할 수 있기 때문에, 자유 피스톤 결합된 기계의 왕복 구성요소의 과도한 변위 진폭으로 인해 발생하는 충돌을 피하는 것이 바람직하다. 자유 피스톤 스털링 기계에 결합된 리니어 모터 또는 교류 발전기를 사용하여, 충돌이 발생하는 변위 진폭을 측정하는 것은 비교적 쉽다. 이러한 것은 충돌이 느껴지거나 또는 들릴 때까지 양방향으로 전기자를 저속으로 수동으로 슬라이딩시키고 변위를 기록하는 것에 의해 수행될 수 있다. 충돌이 발생하는 최소 변위 진폭(Xc)의 지식은 충돌이 회피될 수 있는 충돌 변위 진폭(Xc)보다 충분히 작은 최대 변위 진폭(Xmax)을 엔지니어가 정의하는 것을 가능하게 한다. 결과적으로, 자유 피스톤 결합 기계에서 변위 진폭에 비례하는 전기적 데이터 파라미터로서 작동 변위 진폭(X)을 연속적으로 검출하는 것이 바람직하다. 변위 진폭을 감지하기 위한 별도의 추가 센서에 대한 필요성을 피할 뿐만 아니라 특별한 추가 전기 연결 단자의 제공을 피하기 위해 자유 피스톤 결합 기계와 함께 이미 사용되고 있는 전기 단자에서 편리하게 이용 가능한 전기적 파라미터로부터 변위 진폭(X)을 검출할 수 있는 것이 특히 바람직하다.It is desirable to avoid collisions resulting from excessive displacement amplitudes of the reciprocating components of a free-piston coupled machine, as such collisions may damage or destroy either or both coupled machines. Using a linear motor or alternator coupled to a free piston Stirling machine, it is relatively easy to measure the displacement amplitude at which an impact occurs. This can be done by manually sliding the armature in both directions at low speed until a bump is felt or heard and recording the displacement. Knowledge of the minimum displacement amplitude (X c ) at which a collision occurs allows the engineer to define a maximum displacement amplitude (X max ) that is sufficiently smaller than the collision displacement amplitude (X c ) at which a collision can be avoided. Consequently, in free piston coupled machines it is desirable to continuously detect the operating displacement amplitude (X) as an electrical data parameter proportional to the displacement amplitude. The displacement amplitude ( ) is particularly desirable.

널리 공지된 바와 같이, 리니어 모터 및 교류 발전기는 자유 피스톤 기계류를 구동하거나 이로부터 동력을 전달하도록 일반적으로 사용되는 디바이스이다. 스털링 냉각기의 피스톤의 진폭은 주로 이를 구동하는 리니어 모터의 전압에 의해 결정되지만 기계에 의해 소비되거나 전달되는 전력에 의해 강하게 영향을 받는다. 따라서, 구동 전압 자체가 변위 진폭의 정확한 함수가 아니기 때문에 모든 작동 조건에서 가능한 최대 전압을 아는 것은 어렵다. 이하에서, 산문(prose)을 단순화하기 위해, 동력 흡수 디바이스에 대해서만 본 발명을 설명하여, 동력 생성 디바이스가 단순히 반대 상황임을 알 것이다.As is well known, linear motors and alternators are devices commonly used to drive or transmit power from free piston machinery. The amplitude of the piston of a Stirling cooler is primarily determined by the voltage of the linear motor that drives it, but is also strongly influenced by the power consumed or delivered by the machine. Therefore, it is difficult to know the maximum possible voltage under all operating conditions because the driving voltage itself is not an exact function of the displacement amplitude. In the following, to simplify the prose, the invention will be described only in terms of power absorbing devices, with the view that the power producing devices are simply the opposite situation.

스털링 냉각기의 시동 동안, 현재의 실시는 종종 리니어 모터가 스털링 냉각기의 피스톤을 그것의 기계적 정지부와의 충돌로 구동하는 것(일반적으로 오버 스트로크로서 지칭됨)을 방지하기 위해 리니어 모터의 단자에 천천히 상승하는 구동 전압을 인가하는 것에 의지한다. 리니어 모터에 의해 구동되는 스털링 냉각기의 종래 기술의 컨트롤러에서, 정상 상태 작동 전압은 전형적으로 룩업 테이블에 저장되고 이로부터 검색된다. 이러한 기술은 기계의 거동을 변경하는 변하는 부하 조건으로 인해 문제가 발생하고, 그러므로 최대 전력이 인가되기 전에 기계를 필요한 조건으로 가져오기에 램프 시간(ramp time)이 충분하지 않을 수 있다. 추가적인 어려움은 마모 또는 가스 누출로 인한 기계 특성 변경이 부정확한 전압 파라미터로 이어진다는 것이다. 물론, 어떤 방식이든, 충돌의 가능성을 피하기 위해 피스톤 운동을 위한 충분한 완충 영역 또는 완충 간격을 설계에 간단히 포함시키는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 접근 방식은 전력이 피스톤 진폭의 제곱에 의존하기 때문에 데드 스페이스 또는 사용되지 않는 용량을 초래한다. 심온 냉동고와 같은 적용에서, 고가의 냉동고 내용물이 확장된 온도 변동에 노출되는 것을 제한하기 위해 도어 개방 후 가장 빠른 초기 냉각 및 복구를 획득하는 것이 중요하다. 이러한 것은 또한 최대 허용 가능한 피스톤 진폭인 최대 용량에서 자유 피스톤 냉각 기계를 작동시키는 것에 의해서만 달성될 수 있다. 따라서, 스털링 냉각기의 피스톤의 변위 진폭을 어떠한 충돌도 초래함이 없이 가능한 빨리 최대 진폭으로 가져오는 것이 바람직하다.During start-up of a Stirling cooler, current practice often involves slowing down the terminals of the linear motor to prevent the linear motor from driving the piston of the Stirling cooler into collision with its mechanical stop (commonly referred to as overstroke). It relies on applying a rising driving voltage. In prior art controllers of Stirling coolers driven by linear motors, the steady-state operating voltage is typically stored in and retrieved from a look-up table. These techniques suffer from changing load conditions that change the behavior of the machine, and therefore the ramp time may not be sufficient to bring the machine to the required condition before full power is applied. An additional difficulty is that changes in mechanical properties due to wear or gas leakage lead to inaccurate voltage parameters. Of course, either way, it is possible to simply include in the design sufficient buffer area or clearance for piston movement to avoid the possibility of collision. However, this approach results in dead space or unused capacity because the power depends on the square of the piston amplitude. In applications such as deep-temperature freezers, it is important to obtain the fastest initial cooling and recovery after door opening to limit exposure of expensive freezer contents to extended temperature fluctuations. This can only be achieved by operating the free piston cooling machine at full capacity, which is also the maximum allowable piston amplitude. Therefore, it is desirable to bring the displacement amplitude of the piston of the Stirling cooler to its maximum amplitude as quickly as possible without causing any collision.

미국 특허 제5,342,176호에서 R. W. Rediich는 이산 구성요소에 의해 또는 디지털 방식으로 아날로그 등가물을 제공하는 것에 의해 피스톤 진폭을 획득하는 방법, 즉 본질적으로 자유 피스톤 디바이스의 시뮬레이션을 설명한다. Redlich의 방법은 재건 방법이라고 명명된 피스톤 진폭을 제공한다. 그러나, 기술된 수학식, 그의 경우에 왕복 피스톤의 속도를 풀기 위해서는 아날로그 또는 디지털 통합을 요구한다. Rediich가 순간 전압과 전류라는 2개의 입력만을 필요로 할지라도, 통합의 방법은 상당한 계산 능력과 시간을 요구하고 수치가 부정확할 수 있다.In U.S. Patent No. 5,342,176 R. W. Rediich describes a method of obtaining the piston amplitude by means of discrete components or by digitally providing an analog equivalent, i.e. essentially a simulation of a free piston device. Redlich's method provides piston amplitude named reconstruction method. However, solving the equations described, in this case the speed of the reciprocating piston, requires analog or digital integration. Although Rediich requires only two inputs, instantaneous voltage and current, the method of integration requires considerable computational power and time, and the numbers can be inaccurate.

리니어 모터에 의해 구동되는 자유 피스톤 기계를 효과적으로 제어하기 위해, 피스톤이 그 최대 진폭(Xmax)을 초과함이 없이 최대 동력 지점이 획득될 수 있도록 어떠한 부하 또는 기계 조건에서도 최대 피스톤 진폭에 대한 전압을 아는 것이 중요하다. 결과적으로, 어떠한 변하는 부하 또는 변하는 기계 조건에 대해서도, 자유 피스톤 스털링 냉각기를 구동하는 리니어 모터의 전기자 및 피스톤과 같은 결합된 기계의 왕복 구성요소의 변위 진폭(X)의 연속적인 검출을 가능하게 하는 것이 바람직하고 본 발명의 목적 및 특징이다. To effectively control free piston machines driven by linear motors, the voltage for maximum piston amplitude must be adjusted under any load or machine condition so that the maximum power point is obtained without the piston exceeding its maximum amplitude (X max ). It's important to know. As a result, for any changing load or changing machine conditions, it is possible to continuously detect the displacement amplitude ( It is preferred and is the object and feature of the present invention.

본 발명은 어떠한 작동 조건 하에서도, 부하 또는 원동기에 구동 가능하게 결합되는 리니어 모터 또는 교류 발전기의 전기자의 변위 진폭을 검출하기 위한 방법 및 장치로 이루어진다. 방법 및 장치는 모두 리니어 모터 또는 교류 발전기의 입력 단자로부터 파생된 3개의 입력만을 요구한다: (1) 리니어 모터 단자 양단에서 측정된 RMS 또는 피크 전압; (2) 리니어 모터에 의해 소비되는 RMS 또는 피크 전류; 및 (3) 역률로부터 획득될 수 있는 전압과 전류 사이의 위상. 방법은 리니어 모터 또는 교류 발전기의 단자에서 이러한 3개의 입력을 감지하고, 제어 시스템 또는 컨트롤러의 마이크로컴퓨터에서 수학적 계산을 수행하도록 이를 사용한다. 수학적 계산은 리니어 모터 또는 교류 발전기를 위한 등가 회로의 특히 단순화된 수정인 등가 회로에 기초한다. 복구 또는 검출된 변위 진폭은 고정 부품과 왕복 전기자의 충돌을 유발할 진폭(Xc)보다 작은 진폭(Xmax)으로 전기자의 변위 진폭을 제한하기 위해 제어부 또는 컨트롤러에 의해 사용된다.The present invention consists in a method and apparatus for detecting the displacement amplitude of an armature of a linear motor or alternator driveably coupled to a load or prime mover, under any operating conditions. Both the method and the apparatus require only three inputs derived from the input terminals of a linear motor or alternator: (1) the RMS or peak voltage measured across the linear motor terminals; (2) RMS or peak current consumed by the linear motor; and (3) the phase between voltage and current, which can be obtained from the power factor. The method senses these three inputs at the terminals of a linear motor or alternator and uses them to perform mathematical calculations on a microcomputer in a control system or controller. The mathematical calculations are based on the equivalent circuit, which is a particularly simplified modification of the equivalent circuit for a linear motor or alternator. The recovered or detected displacement amplitude is used by the controller or controller to limit the displacement amplitude of the armature to an amplitude (X max ) smaller than the amplitude (X c ) that would cause a collision of the reciprocating armature with the stationary part.

도 1은 본 발명의 실시예를 나타내는 자유 피스톤 스털링 냉각기를 구동하는 결합된 리니어 모터의 구성요소 부분인 리니어 모터의 축방향 단면도이다.
도 2는 도 1의 리니어 모터의 개략도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 리니어 교류 발전기 또는 리니어 모터를 위한 등가 회로의 회로 개략도이다.
도 4는 리니어 교류 발전기 또는 리니어 모터를 위한 등가 회로의 회로 개략도이고, 도 3의 회로의 단순화된 수정이며 본 발명의 실시예를 위해 사용되는 수학식의 설명을 위한 기초이다.
도 5는 리니어 교류 발전기 또는 리니어 모터를 위한 등가 회로의 회로 개략도이고, 도 4의 회로의 추가 단순화된 수정이며 본 발명의 실시예를 위해 사용되는 수학식의 설명을 위한 기초이다.
도 6은 도 3 내지 도 5의 등가 회로를 위한 전기적 파라미터의 관계를 나타내는 페이저도이다.
도 7은 측정된 진폭에 대한 도 4 및 도 5의 2개의 등가 회로에 기초한 본 발명에 따라서 복구된 자석 변위 진폭의 그래프이다.
도 8은 자유 피스톤 스털링 냉각기를 위한 제어 회로에서 본 발명을 적용하기 위한 장치를 도시한다.
도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어서, 명확성을 위해 특정 용어를 사용할 것이다. 그러나, 본 발명은 이렇게 선택된 특정 용어로 제한되지 않으며, 각각의 특정 용어는 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 작동하는 모든 기술적 등가물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "연결된"이라는 단어 또는 이와 유사한 용어가 자주 사용된다. 이러한 것들은 직접적인 연결로 한정되지 않고, 당업자가 동등하다고 인정하는 다른 회로 소자를 통한 연결도 포함한다. 또한, 전자 신호에 대해 널리 공지된 작업을 수행하는 유형의 회로가 예시되어 있다. 당업자는 이러한 것들이 신호에 대해 동일한 작업을 제공하기 때문에 동등한 것으로서 인식되는 대안적인 회로가 많고 미래에는 추가될 수 있음을 인식할 것이다.
1 is an axial cross-sectional view of a linear motor, a component part of a coupled linear motor driving a free piston Stirling cooler illustrating an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of the linear motor of Figure 1.
Figure 3 is a circuit schematic diagram of an equivalent circuit for a linear alternator or linear motor as shown in Figures 1 and 2.
Figure 4 is a circuit schematic diagram of an equivalent circuit for a linear alternator or linear motor, a simplified modification of the circuit of Figure 3 and is the basis for explanation of the mathematical equations used for embodiments of the present invention.
Figure 5 is a circuit schematic diagram of an equivalent circuit for a linear alternator or linear motor, a further simplified modification of the circuit of Figure 4 and is the basis for explanation of the mathematical equations used for embodiments of the invention.
FIG. 6 is a phasor diagram showing the relationship between electrical parameters for the equivalent circuits of FIGS. 3 to 5.
Figure 7 is a graph of the magnet displacement amplitude recovered according to the invention based on the two equivalent circuits of Figures 4 and 5 against the measured amplitude.
Figure 8 shows an arrangement for applying the invention in a control circuit for a free piston Stirling cooler.
In describing the preferred embodiments of the invention shown in the drawings, specific terminology will be used for clarity. However, the present invention is not limited to the specific terms so selected, and each specific term should be understood to include all technical equivalents that operate in a similar manner to achieve a similar purpose. For example, the word "connected" or similar terms are often used. These are not limited to direct connections, but also include connections through other circuit elements recognized as equivalent by those skilled in the art. Additionally, circuits of the type that perform well-known operations on electronic signals are illustrated. Those skilled in the art will recognize that there are many alternative circuits that are recognized as equivalent because they provide the same operation on signals and that additional circuits may be added in the future.

이하의 설명에서, 자석 진폭, 피스톤 진폭 및 전기자 진폭은 모두 변위 진폭이고 동의어이며, 동일한 크기(값)를 가진다. "이상적인"이라는 용어는 회로 분석 분야의 당업자에게 널리 공지된 바와 같이 집중되고 이상화된 회로 소자로 등가 회로를 형성하는 실무와 관련된 의미를 가진다.In the following description, the magnet amplitude, piston amplitude and armature amplitude are all displacement amplitudes and are synonymous and have the same magnitude (value). The term “ideal” has a meaning associated with the practice of forming an equivalent circuit from lumped, idealized circuit elements, as is well known to those skilled in the art of circuit analysis.

자석의 진폭이 실질적으로 리니어 시스템에 의해 설명되고 리니어 모터 자체가 실질적으로 선형이라는 것을 인식하면, 자석 진폭이 주어진 인가 전압 및 전류에 대해 추출될 수 있는 등가 회로를 형성하는 것이 가능하다. 전압과 전류 및 서로에 대한 그 위상 관계로부터, 모터의 이상적인 유도 전압을 추출하는 것이 가능하다. 이러한 이상적인 유도 전압(RMS 또는 피크)은 자석의 속도 진폭에 비례하며, 주파수가 공지되어 있기 때문에, 진폭은 직접 계산될 수 있다. 이렇게 수행하기 위한 알고리즘은 몇 줄의 코드에 불과하며, 기계가 부하 변화에 신속하게 응답하지 않기 때문에 각각의 사이클 후에 또는 다수의 사이클 후에 계산될 수 있다. Recognizing that the amplitude of the magnet is described by a substantially linear system and that the linear motor itself is substantially linear, it is possible to form an equivalent circuit from which the magnet amplitude can be extracted for a given applied voltage and current. From the voltage and current and their phase relationship to each other, it is possible to extract the ideal induced voltage of the motor. This ideal induced voltage (RMS or peak) is proportional to the amplitude of the magnet's velocity, and since the frequency is known, the amplitude can be calculated directly. The algorithm to do this is just a few lines of code and can be calculated after each cycle or after many cycles since the machine does not respond quickly to changes in load.

다음의 설명은 도면의 내용에 대한 설명으로 시작하여, 본 발명에서 사용된 수학적 관계의 기초를 설명하는 분석이 뒤따른다.The following description begins with a description of the content of the drawings, followed by an analysis explaining the basis of the mathematical relationships used in the invention.

도 1은 자유 피스톤 기계에서 사용되는 Redlich에 의해 고안된 유형의 전형적인 리니어 모터의 단면도를 도시한다. 도 2는 두 도면에서 동일한 도면 부호를 사용하여 도 1에 나타낸 리니어 모터의 개략도 또는 윤곽도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 철 코어(12) 내의 토로이달 코일 권선(10)은 공기 갭(14)의 경계에서 코어(12)의 면들에 직각인 반경 방향 공기 갭(14)을 가로질러 자기장을 생성한다. 왕복 전기자(11)는 공기 갭(14) 내에서 반경 방향으로 편향된 직사각형 영구 자석(18)들(또는 링 영구 자석)으로 만들어진 링(16)을 가진다. 자석(18)들은 코일(10)을 통해 전류를 구동하기 위해 권선 단자(13)(도 2)에 인가되는 교류 전압(15)에 응답하여 철 코어(12) 내에서 축 방향으로 이동한다(도 2). 코일(10)은 코어(12)의 외부 철 부품(20)에 도시되어 있다. 대안적으로, 권선을 코어(12)의 내부 철 부품(22) 내에 배치하는 것이 종종 편리하다.Figure 1 shows a cross-sectional view of a typical linear motor of the type designed by Redlich for use in free piston machines. Figure 2 is a schematic or outline drawing of the linear motor shown in Figure 1 using the same reference numerals in both figures. 1 and 2, the toroidal coil winding 10 within the iron core 12 crosses a radial air gap 14 perpendicular to the faces of the core 12 at the boundary of the air gap 14. generates a magnetic field. The reciprocating armature 11 has a ring 16 made of rectangular permanent magnets 18 (or ring permanent magnets) radially biased within an air gap 14. The magnets 18 move axially within the iron core 12 in response to an alternating voltage 15 applied to the winding terminals 13 (Figure 2) to drive a current through the coil 10 (Figure 2). 2). Coil 10 is shown on the outer ferrous part 20 of core 12. Alternatively, it is often convenient to place the windings within the internal ferrous part 22 of the core 12.

도 3은 Redlich, Unger 및 van der Walt에 의해 종래 기술에 개시된 리니어 모터를 위한 등가 회로를 도시한다. Rs는 코일 권선 개방 회로를 사용한 자석의 운동에 의해 유도된 와전류 및 히스테리시스로 인한 손실을 나타낸다. Rdc는 코일에서의 저항 손실을 나타내고, ΔRextemal은 모터의 주변 구조에서의 유도 손실을 나타낸다. L은 주로 코일 권선으로 인한 모터의 인덕턴스이다. Vind는 자석 운동에 의해 유도된 개방 회로 전압이고, Vappl은 인가된 단자 전압이다. I 및 Im은 각각 단자 및 모터 전류이다.Figure 3 shows an equivalent circuit for a linear motor disclosed in the prior art by Redlich, Unger and van der Walt. R s represents the losses due to eddy currents and hysteresis induced by the motion of the magnet with the coil winding open circuit. R dc represents the resistance loss in the coil, and ΔR extemal represents the inductive loss in the surrounding structure of the motor. L is the inductance of the motor mainly due to the coil windings. V ind is the open circuit voltage induced by magnet motion, and V appl is the applied terminal voltage. I and I m are the terminal and motor currents, respectively.

도 3, 도 4 및 도 5가 함께 묶인 이상적인 회로 소자로 구성된 등가 회로이기 때문에, 실제 리니어 교류 발전기 또는 모터에 이용 가능한 유일한 단자는 전압 소스(Vappl)의 단자이다. 이들은 이러한 상세한 설명에서 언급되는 교류 발전기 또는 모터 단자이다. 당업자는 등가 회로의 구성요소의 저항 및 인덕턴스 회로 소자를 나타내는 상수 값을 예를 들어 실험실 테스트로부터 획득하기 위해 당업자에게 공지된 기술이 있다는 것을 인식할 것이다. 종래 기술의 리니어 모터에 대해 설명된 저항 손실은 널리 공지되어 있다. 이러한 상수 값은 컨트롤러의 마이크로컴퓨터에 저장되며, 후속 데이터 처리를 위해 사용될 수 있다.Since Figures 3, 4 and 5 are equivalent circuits consisting of ideal circuit elements tied together, the only terminals available for a real linear alternator or motor are those of the voltage source (V appl ). These are the alternator or motor terminals referred to in this detailed description. Those skilled in the art will recognize that there are techniques known to those skilled in the art for obtaining constant values representing the resistance and inductance circuit elements of the components of an equivalent circuit, for example from laboratory tests. The resistive losses described for linear motors of the prior art are well known. These constant values are stored in the controller's microcomputer and can be used for subsequent data processing.

도 4는 본 발명의 기초가 되는 실질적인 등가 회로를 제공하는 도 3의 회로의 변형예를 도시한다. 도 4의 등가 회로는 도 3에서의 등가 회로에 가까운 근사치를 제공한다. 이러한 변형은 실제로 Rs 양단 전압이 Rdc + ΔRextemal 양단 전압보다 훨씬 크다는 관찰을 기반으로 한다. 이러한 것은 다음과 같이 단순화를 제공한다:Figure 4 shows a variation of the circuit of Figure 3, providing a practical equivalent circuit upon which the present invention is based. The equivalent circuit in Figure 4 provides a close approximation to the equivalent circuit in Figure 3. This modification is based on the observation that in practice the voltage across R s is much larger than the voltage across R dc + ΔR extemal . This provides simplification as follows:

Rs 양단 전압 Voltage across R s

따라서, 도 4의 실용적인 등가 회로는 양호한 근사치에 적용 가능하다. 이 회로 변형은 변위 진폭의 계산의 단순화를 허용한다.Therefore, the practical equivalent circuit of Figure 4 is applicable to a good approximation. This circuit modification allows for simplification of the calculation of displacement amplitude.

도 5는 더욱 단순화된 등가 회로를 도시한다. 도 5의 등가 회로에서, 자석 운동으로 인해 유도된 모든 손실은 Rac 등가 회로 저항으로 묶인다. 여기에서, 어떠한 에너지 분산도 단자 개방 회로로 발생하지 않으며, 이는 일부 추가적인 부정확성으로 이어진다. 도 5의 등가 회로에 대해, Im = I이다.Figure 5 shows a more simplified equivalent circuit. In the equivalent circuit of Figure 5, all losses induced due to magnet motion are bundled into the R ac equivalent circuit resistance. Here, no energy dissipation occurs as a terminal open circuit, which leads to some additional inaccuracy. For the equivalent circuit of Figure 5, I m = I.

도 6은 전압과 모터 전류의 페이저 관계를 도시한다. 모터 전류는 코일(10)의 권선을 통해 흐르는 전류(Im)이다. X는 자석의 변위 진폭이고, Vind는 자석의 속도와 동일 위상이며, 그러므로 자석의 변위와 직각 위상이다. 저항 전압은 전류(Im)와 동일 위상이고, 유도 전압은 전류(Im)와 직각 위상이다.Figure 6 shows the phasor relationship between voltage and motor current. The motor current is the current (I m ) flowing through the windings of the coil 10. where The resistance voltage is in phase with the current (I m ), and the induced voltage is in quadrature with the current (I m ).

도 7은 도 4 및 도 5의 2개의 등가 회로로부터 개발된 수학식에 기초한 본 발명에 따라 복구된 자석 변위 진폭(X)을 실제 측정된 변위 진폭과 비교하는 그래프를 도시한다. 도 7은 본 발명에 따라 검출(복구)된 변위 진폭(X)이 실제 측정된 변위 진폭에 얼마나 근접하는지를 도시한다. 라인(24)은 실제 측정된 변위 진폭을 나타낸다. 라인(26)(점선)은 도 4의 등가 회로로부터 전개된 수학식에 기초하여 본 발명에 따라서 복구된(검출된) 변위 진폭(X)을 나타낸다. 라인(28)(점선)은 도 5의 등가 회로로부터 전개된 수학식에 기초하여 본 발명에 따라서 복구된(검출된) 변위 진폭(X)을 나타낸다.Figure 7 shows a graph comparing the magnet displacement amplitude (X) recovered according to the invention based on the equations developed from the two equivalent circuits of Figures 4 and 5 with the actual measured displacement amplitude. Figure 7 shows how close the displacement amplitude (X) detected (recovered) according to the present invention is to the actual measured displacement amplitude. Line 24 represents the actual measured displacement amplitude. Line 26 (dotted line) represents the displacement amplitude (X) recovered (detected) according to the invention based on the equation developed from the equivalent circuit of Figure 4. Line 28 (dotted line) represents the displacement amplitude (X) recovered (detected) according to the invention based on the equation developed from the equivalent circuit of Figure 5.

도 8은 피드백 제어 시스템에서 사용하기 위한 피스톤 변위 진폭(X)을 나타내는 신호를 획득하기 위해 자유 피스톤 스털링 냉각기를 위한 컨트롤러에서 구현된 변위 진폭 복구 방법을 도시한다. 도 8에 도시된 대부분의 회로 배열은 종래 기술에서 공지되어 있다. 종래 기술의 구성요소들은 종래 기술에서 당업자에게 공지되어 있기 때문에 먼저 요약 방식으로 설명된다. 자유 피스톤 스털링 냉각기(30)는 초저온 냉동고와 같은 목표(32)로부터 열을 흡수한다. 스털링 냉각기(30)는 그 후방 공간 내에서 리니어 모터(34)가 내부적으로 구성된다. 리니어 모터(34)의 구성요소 부분은 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 것과 동일하며, 그러므로 동일한 도면 부호가 이러한 구성요소 부분에 적용된다. 스털링 냉각기의 피스톤(36)은 코일(10)에 인가된 교류 전압의 결과로서 실린더(37) 내에서 피스톤(36)을 왕복 운동으로 구동하는 리니어 모터(34)의 자석(18)들에 고정된다. 자유 피스톤 스털링 기계 분야에서 공지된 바와 같이, 스털링 냉각기 내의 압력 변화는 디스플레이서(displacer)(38)가 왕복하게 한다. 디스플레이서(38)의 왕복 운동은 재생기(40)를 통해 실린더(37) 내에서 작업 가스를 주기적으로 교번하는 방향으로 밀어낸다. 열은 목표로부터 스털링 냉각기(30)의 상부 냉단부로 전도되고, 스털링 냉각기(30)의 상부 냉단부로부터 열교환기(42)로 실린더 내에서 주기적인 압력 변화와 조합된 작업 가스의 주기적인 운동에 의해 펌핑되며, 열은 열교환기로부터 주변 대기로 전달된다. 실린더 내에서 주기적인 압력 변화와 조합된 작업 가스의 주기적은 운동은 스털링 냉각기(30)의 상부 냉단부 및 목표(32)로부터 열이 열교환기(42)로 펌핑되게 하며, 열은 열교환기(42)로부터 주변 대기로 전달된다. 스털링 냉각기는 또한 리니어 모터(34)의 코일(10)에 교류 전압을 인가하는 드라이버(44)를 가진다. 그 구동 전압의 진폭은 컨트롤러(46)에 의해 제어된다. 정상 상태 작동 조건 하에서, 시동 시퀀스에 따라, 네거티브 피드백 제어 원리가 적용되어 목표 온도를 설정 온도로 유지한다. 이러한 목적을 위해, 온도 센서(43)는 목표 온도를 나타내는 신호를, 설정 온도를 나타내는 신호가 또한 인가되는 합산 접속부(62)에 인가한다. 둘 사이의 에러는 설정 온도에서 목표 온도를 유지하는 방식으로 리니어 모터에 인가되는 전압을 드라이버(44)가 변화시키게 한다. 이러한 모든 것은 오랫동안 확립된 제어 원칙에 따라서 수행되며, 전형적으로 디지털 처리에 의해 수행된다.Figure 8 shows a displacement amplitude recovery method implemented in a controller for a free piston Stirling cooler to obtain a signal representing the piston displacement amplitude (X) for use in a feedback control system. Most of the circuit arrangements shown in Figure 8 are known in the prior art. The elements of the prior art are first described in a summary manner since they are known to those skilled in the art. A free piston Stirling cooler 30 absorbs heat from the target 32 like a cryogenic freezer. The Stirling cooler 30 is internally configured with a linear motor 34 in its rear space. The component parts of the linear motor 34 are identical to those described in connection with FIGS. 1 and 2 and therefore the same reference numerals apply to these component parts. The piston 36 of the Stirling cooler is fixed to magnets 18 of a linear motor 34 which drives the piston 36 in a reciprocating motion within the cylinder 37 as a result of the alternating voltage applied to the coil 10. . As is known in the art of free piston Stirling machines, changes in pressure within the Stirling cooler cause the displacer 38 to reciprocate. The reciprocating motion of the displacer 38 forces the working gas in periodically alternating directions within the cylinder 37 through the regenerator 40. Heat is conducted from the target to the upper cold end of the Stirling cooler 30 and from the upper cold end of the Stirling cooler 30 to the heat exchanger 42 due to the periodic movement of the working gas combined with periodic pressure changes within the cylinder. Heat is transferred from the heat exchanger to the surrounding atmosphere. The periodic movement of the working gas combined with the periodic pressure changes within the cylinder causes heat to be pumped from the upper cold end of the Stirling cooler 30 and the target 32 to the heat exchanger 42. ) is transmitted to the surrounding atmosphere. The Stirling cooler also has a driver 44 that applies alternating voltage to the coil 10 of the linear motor 34. The amplitude of the driving voltage is controlled by the controller 46. Under steady-state operating conditions, according to the start-up sequence, the negative feedback control principle is applied to maintain the target temperature at the set temperature. For this purpose, the temperature sensor 43 applies a signal representing the target temperature to the summing connection 62, to which a signal representing the set temperature is also applied. The error between the two causes the driver 44 to change the voltage applied to the linear motor in a way to maintain the target temperature at the set temperature. All this is carried out according to long-established control principles and is typically carried out by digital processing.

본 발명을 실시하기 위해, 피스톤 변위 진폭은 아래에서 설명될 수학적 연산에 따라서 계산되어야만 한다. 피스톤 변위 진폭은 블록(48)에 예시된 바와 같이 드라이버(44)에 이용 가능한 코일 단자(13)에서 감지되는 전기적 파라미터로부터 복구된다. 복구된(검출된) 피스톤 변위 진폭(X)은 합산 접속부(50)에 인가되며, 설정 최대 변위 진폭(Xmax)이 또한 합산 접속부에 인가된다. 합산 접속부(50)로부터의 오류 신호는 변위 진폭이 Xmax를 초과하지 않도록 제한하는 컨트롤러에 인가된다.To practice the invention, the piston displacement amplitude must be calculated according to mathematical operations described below. The piston displacement amplitude is recovered from the electrical parameters sensed at the coil terminal 13 available to the driver 44 as illustrated in block 48. The recovered (detected) piston displacement amplitude The error signal from summing connection 50 is applied to a controller which limits the displacement amplitude not to exceed X max .

물론, 당업자에게 공지된 바와 같이, 모든 합산 접속 연산, 전압 제한 연산 및 수학식에 따른 계산의 수행은 전형적으로 컨트롤러 내에서 디지털 처리에 의해 수행된다. 최신 컨트롤러는 마이크로컴퓨터를 포함한다. "마이크로컴퓨터"라는 용어는 제어 회로에 대한 컴퓨팅 연산을 수행하기 위해 종래 기술에서 통상적으로 사용되는 유형의 컴퓨팅 회로를 식별하는데 사용된다. 데스크탑, 랩탑 또는 모니터, 키보드 및 마우스와 같은 주변 장비를 포함하는 다른 형태의 사용자 대화식 컴퓨터의 대안적인 의미를 가리키도록 의도되지 않는다. 처리가 컨트롤러의 마이크로컴퓨터에 의해 수행되기 때문에, 코일 전압 및 전류를 감지하기 위해 코일 단자에 전기적으로 연결된 물리적 감지 디바이스 및 회로는 I 및 V 출력을, 위상(역률) 및 기타 모든 수학적 계산이 수행될 수 있는 컨트롤러로 직접 전송할 수 있다.Of course, as is known to those skilled in the art, performing all summation operations, voltage limit operations and calculations according to the equations is typically performed by digital processing within the controller. Modern controllers include microcomputers. The term "microcomputer" is used to identify a type of computing circuit commonly used in the prior art to perform computing operations on control circuits. It is not intended to refer to the alternative meaning of a desktop, laptop, or other form of user-interactive computer including peripheral equipment such as a monitor, keyboard, and mouse. Since the processing is performed by the controller's microcomputer, physical sensing devices and circuits electrically connected to the coil terminals to sense coil voltage and current produce I and V outputs, phase (power factor) and all other mathematical calculations are performed. It can be transmitted directly to a capable controller.

이제 본 발명의 토대를 보여주는 분석으로 돌아가서, 리니어 모터 이론의 기본적인 양태는 유도 전압(Vind)이 자석 축 속도(ωX)에 정비례한다는 것이며, 여기서 ω는 초당 라디안 단위의 주파수이고 X는 변위 진폭이다. 리니어 모터에 의해 구동되는 스털링 냉각기의 경우, 주파수(ω)는 리니어 모터를 구동하는 AC 전압의 주파수이며, 전형적으로 결합된 기계의 공진 주파수이다. 수치적으로 동일한 미터당 볼트 초 또는 암페어당 뉴턴 단위를 가지는 모터 상수로서 당업자에게 일반적으로 공지된 비례 상수(α)는 유도 전압이 수학식 1과 같이 쓰여지는 것을 가능하게 한다:Now returning to the analysis that underlies the invention, a basic aspect of linear motor theory is that the induced voltage (V ind ) is directly proportional to the magnet shaft speed (ωX), where ω is the frequency in radians per second and X is the displacement amplitude. . For a Stirling cooler driven by a linear motor, the frequency (ω) is the frequency of the AC voltage driving the linear motor, and is typically the resonant frequency of the coupled machine. The proportionality constant (α), commonly known to those skilled in the art as a motor constant with numerically equivalent units of volts per meter per second or newtons per ampere, allows the induced voltage to be written as equation 1:

[수학식 1] [ Equation 1 ]

Vind = αωXV ind = αωX

수학식 1은 Vind를 획득하거나 추론하고 α 및 ω를 아는 것에 의해, 자석, 그러므로 전기자 변위 진폭(X)을 획득하는 것이 가능하다는 것을 보여준다.Equation 1 shows that by obtaining or deducing V ind and knowing α and ω, it is possible to obtain the magnet, and therefore armature, displacement amplitude (X).

도 1은 전기자(11)가 진폭(X)으로 축방향으로 진동하도록 유발되는 전형적인 리니어 모터를 도시한다. 반경 방향으로 분극된 자석(18)들은 전기자(18)에 부착되어 그 일부를 형성한다. 원주 방향 코일(10) 권선은 각각 외부 및 내부 철 코어 구성 요소(20 및 22)에서의 교번하는 필드를 제공한다. 코일(10)은 전기 단자(13)를 가진다. 교류 전압이 코일(10)의 단자(13)에 인가될 때, 코일(10)에 의해 생성된 고정자 필드는 철 코어 구성요소(20, 22)들 사이의 공기 갭(14)을 가로지른다. 공기 갭(14) 내의 필드는 본질적으로 원주형인 자석(18)들의 자석 에지 전류와 상호 작용하여, 축 방향(도 1 및 도 2에서 수직)으로 진동 왕복 운동으로 자석(18), 그러므로 전기자(11)를 움직이는 힘을 제공한다. 이러한 것은 모든 요소가 도 1과 동일한 부호로 식별된 도 2에 개략적으로 표시되어 있다. 단자(13)에 인가된 교류 전압은 Vappl이다.Figure 1 shows a typical linear motor in which the armature 11 is caused to oscillate axially with amplitude X. Radially polarized magnets 18 are attached to the armature 18 and form part of it. The circumferential coil 10 windings provide alternating fields in the outer and inner iron core components 20 and 22 respectively. Coil 10 has electrical terminals 13. When an alternating voltage is applied to the terminals 13 of the coil 10, the stator field generated by the coil 10 crosses the air gap 14 between the iron core components 20, 22. The field in the air gap 14 interacts with the magnetic edge currents of the essentially cylindrical magnets 18 , causing the magnets 18 , and therefore the armature 11 , to oscillate in an axial direction (vertical in FIGS. 1 and 2 ). ) provides the power to move. This is schematically represented in Figure 2 where all elements are identified with the same symbols as in Figure 1. The alternating voltage applied to terminal 13 is V appl .

도 3에 도시된 리니어 모터를 위한 등가 회로에서, Rs는 코일(10) 개방 회로에 의한 자석 운동과 관련된 와전류 및 히스테리시스 손실을 설명한다. 코일(10)의 DC 저항은 Rdc로 설명되는 반면에, 지지 구조에서 유도된 전류와 관련된 손실은 ΔRexternal로 표시된다. 인덕턴스(L)는 주로 코일(10) 권선과 관련되지만, 다른 소스로부터의 작은 기여, 예를 들어 고정자 철 코어 구성요소(20 및 22)로부터의 작은 기여를 또한 포함한다. 교류 전압(Vappl)이 단자(13)에 인가될 때, 전류(I)가 흐른다. 자석 운동과 관련된 유도 개방 회로 전압은 Vind이다.In the equivalent circuit for a linear motor shown in Figure 3, R s accounts for the eddy currents and hysteresis losses associated with the magnet movement due to the coil 10 open circuit. The DC resistance of coil 10 is described by R dc , while the losses associated with the current induced in the support structure are denoted by ΔR external . The inductance L is primarily associated with the coil 10 windings, but also includes small contributions from other sources, for example from the stator iron core components 20 and 22. When alternating voltage (V appl ) is applied to terminal 13, current (I) flows. The induced open circuit voltage associated with magnet motion is V ind .

다음의 분석에서, 피크 값이 사용된다. RMS 값은 다음의 수학식 2에서 전압 및 전류에 계수 가 적용될 필요가 있다는 점을 제외하면 잘 기능할 것이다.In the following analysis, the peak value is used. The RMS value is the coefficient for voltage and current in Equation 2 below: It will function fine except that it needs to be applied.

도 3의 등가 회로에 적용된 회로 분석으로부터, 수학식 2와 같이 단자 전압 및 전류의 관점에서 유도 전압(Vind)를 획득하는 것이 가능하다:From circuit analysis applied to the equivalent circuit of Figure 3, it is possible to obtain the induced voltage (V ind ) in terms of terminal voltage and current as shown in equation 2:

여기서, j는 가상 용어 를 나타낸다.Here, j is a virtual term represents.

단자 전압(Vappl)과 전류(I)로부터 유도 전압(Vind)을 획득하기 위해 수학식 2를 사용하는 것이 확실히 가능하지만, 소형 온보드 마이크로컴퓨터에서 항상 편리하게 이용 가능하고 비용 효율적인 것은 아닌 계산 능력을 요구할 것이다.It is certainly possible to use equation 2 to obtain the induced voltage (V ind ) from the terminal voltage (V appl ) and current (I), but computational power is not always conveniently available and cost-effective in small on-board microcomputers. will ask for

도 4의 실제 등가 회로는 Rs 양단 전압이 Rdc + ΔRexternal 양단 전압보다 훨씬 크기 때문에 도 3의 등가 회로에 매우 근접한 근사치이다. 따라서, Rs는 도 3에서의 그 위치로부터, 리니어 모터의 코일(10)의 단자(13)를 가로질러 직접 분로되는 도 4에서의 위치로 이동될 수 있다. 전류(Im)는 수학식 3과 같이 표현할 수 있다:The actual equivalent circuit in Figure 4 is a very close approximation to the equivalent circuit in Figure 3 because the voltage across R s is much greater than the voltage across R dc + ΔR external . Accordingly, R s can be moved from its position in Figure 3 to its position in Figure 4 where it is shunted directly across the terminals 13 of the coil 10 of the linear motor. Current (I m ) can be expressed as Equation 3:

[수학식 3] [ Equation 3 ]

다른 모든 요소는 동일하게 유지된다.All other elements remain the same.

모터에 대한 전압-전류 페이저도인 도 6을 참조한다. Im은 수학식 3으로부터 알려지며, 모터 양단 전압은 실용적인 등가 회로에 대해 Vappl이다.See Figure 6, which is a voltage-current phasor diagram for the motor. I m is known from equation 3, and the voltage across the motor is V appl for a practical equivalent circuit.

전압(Vappl) 및 전류(I)와 같은 역률(pf)은 종래 기술에 널리 공지된 몇몇 종래의 디바이스, 회로 및 방법 중 하나에 의해 측정될 수 있다. 역률을 결정하기 위해 종래 기술에서 사용되는 가장 간단하고 가장 일반적인 방법은 실제 전력(또는 진짜 전력)을 계산하고 피상 전력(apparent power)을 계산하는 것이다. 이 둘의 몫은 역률이다.Power factor (pf), like voltage (V appl ) and current (I), can be measured by any of several conventional devices, circuits and methods well known in the art. The simplest and most common method used in the prior art to determine power factor is to calculate the actual power (or true power) and then calculate the apparent power. The share of these two is the power factor.

역률 pf로부터, Vappl과 I 사이의 위상각 φpf를 획득한다.From the power factor pf, the phase angle ϕ pf between V appl and I is obtained.

[수학식 4] [ Equation 4 ]

φpf = cos-1(pf)ϕ pf = cos -1 (pf)

도 6에서의 페이저에 의해 도시된 전압-전류 관계를 보고, Vm = Vappl임을 염두에 두고, Vind의 성분이 계산될 수 있다. 하나의 성분은 I 방향에 있고, 하나의 성분은 I 방향(즉, 전류(I)의 함수로서 인덕터 양단 전압의 직교 방향)에 직각이다. 도 6에서 그래픽으로 볼 수 있고 수학식 3을 사용하여, 이러한 성분들은 수학식 5 및 수학식 6에 의해 계산된다.Looking at the voltage-current relationship depicted by the phasor in Figure 6, and keeping in mind that V m = V appl , the components of V ind can be calculated. One component is in the I direction and one component is perpendicular to the I direction (i.e., the direction perpendicular to the voltage across the inductor as a function of current (I)). As can be seen graphically in Figure 6 and using Equation 3, these components are calculated by Equation 5 and Equation 6.

[수학식 5] [ Equation 5 ]

(I 방향에서의 성분) (Component in I direction)

[수학식 6] [ Equation 6 ]

(Im 방향에 직각인 LωIm에서의 성분) (Component at LωI m perpendicular to the I m direction)

수학식 1과 피타고라스의 정리를 사용하여, 자석(전기자) 진폭은 Vind의 성분의 크기를 따른다:Using Equation 1 and the Pythagorean theorem, the magnet (armature) amplitude follows the magnitude of the components of V ind :

[수학식 7] [ Equation 7 ]

이러한 것은 정확한 결과이지만, 온도 효과 및/또는 물론 적절하고 공지된 기능적 관계로 설명될 수 있는 다른 비선형성으로 인한 모터 상수에서의 변화에 따라 어느 정도 변할 것이다.These are accurate results, but will vary to some extent with changes in the motor constants due to temperature effects and/or other nonlinearities, which of course can be explained by appropriate and known functional relationships.

따라서, 기본적인 모터 파라미터 외에 전압과 전류의 페이저 관계를 아는 것은 자석 진폭을 추출(또는 복구)하는 것이 가능하다. 진폭을 결정하는 이러한 비침습적 수단은 제어 시스템에서 유용하다.Therefore, knowing the phasor relationship between voltage and current in addition to the basic motor parameters makes it possible to extract (or recover) the magnet amplitude. This non-invasive means of determining amplitude is useful in control systems.

도 5의 간단한 등가 회로에 대해, Im = I이고, 언급한 바와 같이, 자석 운동으로 인한 유도 손실은 전적으로 Rac에 의해 처리된다. 도 5의 회로는 도 4의 회로보다 약간 더 엄격한 가정을 가지며, 이것들은 일부 추가 오류를 도입한다. 도 5의 회로에 대해, Vind의 두 전압 성분은 수학식 8 및 수학식 9에 의해 주어질 것이다:For the simple equivalent circuit of Figure 5, I m = I and, as mentioned, inductive losses due to magnet motion are entirely taken care of by R ac . The circuit of Figure 5 has slightly more stringent assumptions than the circuit of Figure 4, and these introduce some additional errors. For the circuit of Figure 5, the two voltage components of V ind will be given by equations (8) and (9):

[수학식 8] [ Equation 8 ]

(I 방향에서의 성분) (Component in I direction)

[수학식 9] [ Equation 9 ]

(I 방향에 직각인 LωI에서의 성분) (Component in LωI perpendicular to I direction)

수학식 8 및 수학식 9로부터 계산된 성분은 수학식 7에 적용되어 자석 진폭을 획득한다. The components calculated from Equation 8 and Equation 9 are applied to Equation 7 to obtain the magnet amplitude.

도 4의 실제 등가 회로 및 도 5의 간단한 등가 회로의 복구된 진폭은 도 7에서 자석 진폭의 측정된 값에 대해 플롯된다. 도 4의 실제 등가 회로에 대한 복구된 진폭 상관관계는 도 7에서 52로 지시되고, 도 5의 단순 등가 회로에 대해 도 7에서 54로 지시된다. 실제 등가 회로(도 4}는 단순 등가 회로(도 5)보다 더 나은 상관관계를 가지더라도, 일부 적용에 대해, 이러한 차이는 중요하지 않을 수 있다.The recovered amplitudes of the real equivalent circuit in Figure 4 and the simple equivalent circuit in Figure 5 are plotted against the measured values of the magnet amplitude in Figure 7. The recovered amplitude correlation for the real equivalent circuit of FIG. 4 is indicated at 52 in FIG. 7 and at 54 in FIG. 7 for the simple equivalent circuit of FIG. 5. Although the true equivalent circuit (Figure 4) has better correlation than the simple equivalent circuit (Figure 5), for some applications this difference may not be significant.

본 발명의 자기 진폭 복구 방법은 리니어 기계를 위한 제어 시스템에 쉽게 통합된다. 도 8은 목표(32)의 온도를 제어하는데 사용되는 베타 유형의 자유 피스톤 스털링 냉각기에서 피스톤 진폭을 획득하기 위해 사용될 수 있는 자석 진폭 복구 방법을 도시한다. 디스플레이서(38)는 피스톤(36) 운동에 동정적으로 이동하여서, 피스톤 운동의 제어는 디스플레이서 운동을 제어할 것이다. 리니어 모터(34)는 자석(18)들에 대한 기계적 연결에 의해 피스톤(36)을 구동한다. 피스톤 운동의 진폭은 움직이는 부품이 기계적 정지부(56 또는 58)와 충돌하지 않도록 제어되어야만 한다. 정지부(58)의 경우에, 디스플레이서(38)는 피스톤(36)에 의해 과도한 진폭으로 구동되면 기계의 내부 상단과 충돌할 것이다. 합산 접속부(62)에 모두 적용되는 온도 센서(43)에 의해 획득된 설정 온도(60)와 목표 온도의 차이는 컨트롤러(46)에 오류 신호를 제공한다. 컨트롤러(46)는 리니어 모터(34)에 입력을 제공하는 드라이버(44)에 대한 전압을 설정한다. 드라이버(44)는 리니어 모터 단자 전류, 전압 및 전압과 전류 사이의 위상을 추출한다. 이들 값은 위에서 설명된 자석 진폭 복구 수학식을 처리하는 마이크로컴퓨터로 통신된다. 결과적으로, 제어 시스템은 다음 논리에 따라서 동작한다:The magnetic amplitude recovery method of the present invention is easily integrated into control systems for linear machines. Figure 8 illustrates a magnet amplitude recovery method that can be used to obtain piston amplitude in a beta type free piston Stirling cooler used to control the temperature of target 32. The displacer 38 moves synchronously with the movement of the piston 36, such that control of the piston movement will control the displacer movement. A linear motor 34 drives the piston 36 by mechanical connection to magnets 18. The amplitude of the piston movement must be controlled so that the moving parts do not collide with the mechanical stops 56 or 58. In the case of stop 58, displacer 38 will collide with the inner top of the machine if driven with excessive amplitude by piston 36. The difference between the set temperature 60 and the target temperature obtained by the temperature sensor 43 applied to both summing connections 62 provides an error signal to the controller 46. Controller 46 sets the voltage for driver 44, which provides input to linear motor 34. Driver 44 extracts the linear motor terminal current, voltage, and phase between voltage and current. These values are communicated to a microcomputer that processes the magnet amplitude recovery equations described above. As a result, the control system operates according to the following logic:

1. 목표 온도가 설정 온도보다 높으면, 전압을 증가시키는 것에 의해 피스톤 진폭을 증가시킨다(냉각 용량을 증가시킨다). 목표 온도가 설정 온도보다 낮으면, 전압을 감소시키는 것에 의해 피스톤 진폭을 감소시킨다.1. If the target temperature is higher than the set temperature, increase the piston amplitude by increasing the voltage (increase the cooling capacity). If the target temperature is lower than the set temperature, the piston amplitude is reduced by reducing the voltage.

2. 피스톤 진폭을 복구한다.2. Restore piston amplitude.

3. 복구된 피스톤 진폭을 저장된 설정 최대 진폭과 비교한다.3. Compare the recovered piston amplitude with the stored set maximum amplitude.

4. 복구된 진폭이 설정 최대 진폭보다 크면, 피스톤 진폭이 설정 최대 진폭보다 크지 않을 때까지 전압을 감소시키는 것에 의해 피스톤 진폭을 감소시킨다.4. If the recovered amplitude is greater than the set maximum amplitude, reduce the piston amplitude by reducing the voltage until the piston amplitude is no greater than the set maximum amplitude.

수학식 상수 및 변수 및 도면 부호의 목록List of mathematical constants and variables and drawing symbols

α는 미터당 볼트 초 또는 암페어당 뉴턴 단위의 모터 상수이다.α is the motor constant in units of volts per second per meter or newtons per ampere.

ω는 초당 라디안 단위의 기계 작동 각 주파수이다.ω is the angular frequency of machine operation in radians per second.

X는 전기자 및 그 구성요소 부분의 변위 진폭이다.X is the displacement amplitude of the armature and its component parts.

Rs는 권선 개방 회로에 의한 갭에서 왕복하는 자석들의 운동에 의해 유도된 와전류 및 히스테리시스로 인한 손실을 나타낸다.R s represents the loss due to eddy current and hysteresis induced by the motion of magnets reciprocating in the gap caused by the winding open circuit.

Rdc는 코일의 저항 손실을 나타낸다.R dc represents the resistance loss of the coil.

ΔRexternal은 모터의 주변 구조에서의 유도 손실을 나타낸다.ΔR external represents the inductive loss in the surrounding structure of the motor.

Rac는 Rs 및 Rdc의 손실을 함께 묶는 자기 운동으로 인한 유도 손실을 나타낸다.R ac represents the induced loss due to magnetic motion, which ties together the losses of R s and R dc .

L은 주로 코일 권선으로 인한 모터의 인덕턴스이다.L is the inductance of the motor mainly due to the coil windings.

Vind는 자석 운동에 의해 생성된(즉, 코일에서 유도된) 개방 회로 전압이다.V ind is the open circuit voltage generated by the magnet motion (i.e. induced in the coil).

(Vind)I는 I 방향에서 Vind의 페이저 성분이다.(V ind ) I is the phasor component of V ind in the I direction.

(Vind)L은 L 방향에서 Vind의 페이저 성분이다.(V ind ) L is the phasor component of V ind in the L direction.

Vappl은 인가된 단자 전압이다.V appl is the applied terminal voltage.

I 및 Im은 각각 단자 및 모터 전류이다.I and I m are the terminal and motor currents, respectively.

jωL은 L의 임피던스이다.jωL is the impedance of L.

10 : 리니어 모터 코일10: Linear motor coil

11 : 왕복 전기자11: reciprocating armature

12 : 철 코어12: iron core

13 : 코일 단자13: Coil terminal

14 : 철 코어 공기 갭14: iron core air gap

15 : 코일에 인가되는 전압15: Voltage applied to coil

16 : 링 지지 구조16: Ring support structure

18 : 영구 자석(나란한 세그먼트 또는 연속 링)18: Permanent magnet (side by side segments or continuous ring)

20 : 코어의 외부 부분20: outer part of the core

22 : 코어의 내부 부분22: inner part of the core

24 : 실제 측정된 변위 진폭24: Actual measured displacement amplitude

26 : 복구된 변위 진폭 [도 4, 수학식 3-7]26: Recovered displacement amplitude [Figure 4, Equation 3-7]

28 : 복구된 변위 진폭 [도 5, 수학식 4, 8, 9 및 7]28: Recovered displacement amplitude [Figure 5, Equations 4, 8, 9 and 7]

30 : 자유 피스톤 스털링 냉각기30: Free piston stirling cooler

32 : 목표(예를 들어, 냉동고)32: Target (e.g. freezer)

34 : 리니어 모터(도 8)34: Linear motor (Figure 8)

36 : 스털링 냉각기 피스톤36: Stirling cooler piston

37 : 스털링 냉각기 실린더37: Stirling cooler cylinder

38 : 스털링 냉각기 디스플레이서38: Sterling cooler displacer

40 : 스털링 냉각기 재생기40: Sterling cooler regenerator

42 : 스털링 냉각기 열 교환기42: Stirling cooler heat exchanger

43 : 온도 센서43: Temperature sensor

44 : 드라이버 회로44: driver circuit

46 : 컨트롤러46: controller

48 : 피스톤 진폭(X) 복구48: Piston amplitude (X) recovery

50 : 변위 진폭 합산 접속50: Displacement amplitude summation connection

52 : 도 4의 등가 회로에 대한 복구된 진폭 상관52 : Recovered amplitude correlation for the equivalent circuit of Figure 4

54 : 도 5의 등가 회로에 대한 복구된 진폭 상관54: Recovered amplitude correlation for the equivalent circuit of Figure 5

56 : 스털링 냉각기 피스톤이 충돌할 수 있는 기계적 정지부.56: Mechanical stop that the Stirling cooler piston can hit.

58 : 스털링 냉각기 디스플레이서가 충돌할 수 있는 기계적 정지부58: Mechanical stop that the Stirling cooler displacer can hit.

60 : 설정 온도60: set temperature

62 : 온도 제어를 위한 합산 접속부62: summation connection for temperature control

도면과 관련된 이러한 상세한 설명은 주로 본 발명의 현재 바람직한 실시예의 상세한 설명으로서 의도되며, 본 발명이 구성되거나 이용될 수 있는 유일한 형태를 나타내도록 의도되지 않는다. 상세한 설명은 예시된 실시예와 관련하여 본 발명을 구현하는 설계, 기능, 수단 및 방법을 제시한다. 그러나, 동일하거나 등가인 기능 및 특징은, 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되도록 의도되고 다양한 수정이 본 발명 또는 다음의 청구항의 범위를 벗어나지 않고 채택될 수 있는 상이한 실시예에 의해 달성될 수 있다.This detailed description, taken in conjunction with the drawings, is intended primarily as a detailed description of the presently preferred embodiments of the invention, and is not intended to represent the only form in which the invention may be configured or utilized. The detailed description presents the design, functionality, means and methods of implementing the invention in connection with the illustrated embodiments. However, the same or equivalent functions and features may be achieved by different embodiments, which are intended to be included within the spirit and scope of the present invention, and various modifications may be adopted without departing from the scope of the present invention or the following claims.

Claims (6)

교류 전류의 왕복 전기자, 상기 전기자의 왕복 운동을 제어하기 위한 리니어 모터 또는 리니어 교류 발전기의 변위 진폭(X)을 검출하기 위한 방법으로서, 상기 모터 또는 교류 발전기는, 한 쌍의 코일 단자들을 가지는 코일을 포함하고 공기 갭들과 함께 강자성 코어 주위에 권선된 고정자를 가지며, 상기 모터 또는 교류 발전기는 또한 상기 전기자에 고정되고 상기 갭들을 통해 왕복 운동하기 위해 위치되는 자석들을 가지며, 상기 모터 또는 교류 발전기는 또한 모터 상수(α), 상기 코일에서의 저항 손실을 나타내는 등가 저항(Rdc), 상기 모터 또는 교류 발전기를 둘러싸는 구조들에서의 유도 손실을 나타내는 등가 저항(ΔRextemal), 및 코일 개방 회로에 의한 상기 자석들의 운동에 의해 유도된 와전류 및 히스테리시스로 인한 손실을 나타내는 등가 저항(Rs)을 가지는, 상기 방법으로서,
(a) 상기 코일 단자들에서의 교류 전압(Vappl)의 진폭을 감지하는 단계;
(b) 상기 코일 단자들을 통한 교류 전류(I)을 진폭을 감지하는 단계;
(c) 상기 교류 전압(Vappl)과 상기 교류 전류(I) 사이의 위상 각도(φpf)를 감지하는 단계;
(d) 수학식 에 따라서 Im을 계산하는 단계;
(e) 수학식 에 따라서 (Vind)I를 계산하는 단계;
(f) 수학식 에 따라서 (Vind)L을 계산하는 단계; 및
(g) 수학식 에 따라서 변위 진폭(X)을 계산하는 단계를 포함하며,
ω는 Vappl의 라디안 주파수인, 방법.
A method for detecting the displacement amplitude ( and a stator wound around a ferromagnetic core with air gaps, the motor or alternator also having magnets fixed to the armature and positioned for reciprocating through the gaps, the motor or alternator also having a motor a constant (α), an equivalent resistance (R dc ) representing the resistive losses in the coil, an equivalent resistance (ΔR extemal ) representing inductive losses in structures surrounding the motor or alternator, and The method having an equivalent resistance (R s ) representing the loss due to eddy current and hysteresis induced by the movement of the magnets,
(a) detecting the amplitude of alternating voltage (V appl ) at the coil terminals;
(b) detecting the amplitude of alternating current (I) through the coil terminals;
(c) detecting a phase angle (ϕ pf ) between the alternating voltage (V appl ) and the alternating current (I);
(d) Equation calculating I m according to;
(e) Equation calculating (V ind ) I according to;
(f) Equation calculating (V ind ) L according to; and
(g) Equation It includes calculating the displacement amplitude (X) according to
where ω is the radian frequency of V appl .
제1항에 있어서,
(a) 상기 전기자 또는 상기 전기자에 고정된 구조가 고정 구조와 충돌하는 모터 또는 교류 발전기 전기자 변위 진폭(Xc)을 결정하는 단계;
(b) Xc보다 작은 모터 또는 교류 발전기 전기자 변위 진폭(Xmax)을 선택하고 저장하는 단계;
(b) 상기 변위 진폭(X)의 상기 계산을 반복적으로 수행하는 단계; 및
(c) 변위 진폭(X) ≤ Xmax을 유지하도록 상기 모터 또는 교류 발전기의 변위 진폭을 제한하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
According to paragraph 1,
(a) determining a motor or alternator armature displacement amplitude (X c ) at which the armature or a structure fixed to the armature collides with a fixed structure;
(b) selecting and storing a motor or alternator armature displacement amplitude (X max ) that is less than X c ;
(b) repeatedly performing the calculation of the displacement amplitude (X); and
(c) limiting the displacement amplitude of the motor or alternator to maintain displacement amplitude (X) ≤ X max .
교류 전류의 왕복 전기자, 상기 전기자의 왕복 운동을 제어하기 위한 리니어 모터 또는 리니어 교류 발전기의 변위 진폭(X)을 검출하기 위한 방법으로서, 상기 모터 또는 교류 발전기는, 한 쌍의 코일 단자들을 가지는 코일을 포함하고 공기 갭들과 함께 강자성 코어 주위에 권선된 고정자를 가지며, 상기 모터 또는 교류 발전기는 또한 상기 전기자에 고정되고 상기 갭들을 통해 왕복 운동하기 위해 위치되는 자석들을 가지며, 상기 모터 또는 교류 발전기는 또한 모터 상수(α), 상기 코일에서의 저항 손실 및 코일 개방 회로에 의한 상기 자석들의 운동에 의해 유도된 와전류 및 히스테리시스로 인한 손실을 나타내는 등가 저항(Rac), 및 상기 모터 또는 교류 발전기를 둘러싸는 구조에서의 유도 손실을 나타내는 등가 저항(ΔRextemal)을 가지는, 상기 방법으로서,
(a) 상기 코일 단자들에서의 교류 전압(Vappl)의 진폭을 감지하는 단계;
(b) 상기 코일 단자들을 통한 교류 전류(I)을 진폭을 감지하는 단계;
(c) 상기 교류 전압(Vappl)과 상기 교류 전류(I) 사이의 위상 각도(φpf)를 감지하는 단계;
(d) 수학식 에 따라서 (Vind)I를 계산하는 단계;
(e) 수학식 에 따라서 (Vind)L을 계산하는 단계; 및
(f) 수학식 에 따라서 변위 진폭(X)을 계산하는 단계를 포함하며,
ω는 Vappl의 라디안 주파수인, 방법.
A method for detecting the displacement amplitude ( and a stator wound around a ferromagnetic core with air gaps, the motor or alternator also having magnets fixed to the armature and positioned for reciprocating through the gaps, the motor or alternator also having a motor a constant (α), an equivalent resistance (R ac ) representing the resistance losses in the coil and losses due to eddy currents and hysteresis induced by the movement of the magnets due to a coil open circuit, and a structure surrounding the motor or alternator. The method having an equivalent resistance (ΔR extemal ) representing the inductive loss in
(a) detecting the amplitude of alternating voltage (V appl ) at the coil terminals;
(b) detecting the amplitude of alternating current (I) through the coil terminals;
(c) detecting a phase angle (ϕ pf ) between the alternating voltage (V appl ) and the alternating current (I);
(d) Equation calculating (V ind ) I according to;
(e) Equation calculating (V ind ) L according to; and
(f) Equation It includes calculating the displacement amplitude (X) according to
where ω is the radian frequency of V appl .
제3항에 있어서,
(a) 상기 전기자 또는 상기 전기자에 고정된 구조가 고정 구조와 충돌하는 모터 또는 교류 발전기 전기자 변위 진폭(Xc)을 결정하는 단계;
(b) Xc보다 작은 모터 또는 교류 발전기 전기자 변위 진폭(Xmax)을 선택하고 저장하는 단계;
(b) 상기 변위 진폭(X)의 상기 계산을 반복적으로 수행하는 단계; 및
(c) 변위 진폭(X) ≤ Xmax을 유지하도록 상기 모터 또는 교류 발전기의 변위 진폭을 제한하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
According to paragraph 3,
(a) determining a motor or alternator armature displacement amplitude (X c ) at which the armature or a structure fixed to the armature collides with a fixed structure;
(b) selecting and storing a motor or alternator armature displacement amplitude (X max ) that is less than X c ;
(b) repeatedly performing the calculation of the displacement amplitude (X); and
(c) limiting the displacement amplitude of the motor or alternator to maintain displacement amplitude (X) ≤ X max .
교류 전류의 왕복 전기자, 리니어 모터에 기계적으로 연결되고 이에 의해 구동되는 자유 피스톤 스털링 냉각기를 포함하는 냉동고로서, 상기 리니어 모터는, 한 쌍의 코일 단자들을 가지는 코일을 포함하고 공기 갭들과 함께 강자성 코어 주위에 권선된 고정자를 가지며, 상기 모터는 또한 상기 전기자에 고정되고 상기 갭들을 통해 왕복 운동하기 위해 위치되는 자석들을 가지며, 상기 모터는 또한 모터 상수(α), 상기 코일에서의 저항 손실을 나타내는 등가 저항(Rdc), 상기 모터를 둘러싸는 구조들에서의 유도 손실을 나타내는 등가 저항(ΔRextemal), 및 코일 개방 회로에 의한 상기 자석들의 운동에 의해 유도된 와전류 및 히스테리시스로 인한 손실을 나타내는 등가 저항(Rs)을 갖고, 상기 냉동고는 모터 컨트롤러를 갖는, 상기 냉동고로서,
(a) 상기 코일 단자들에 연결되고 상기 코일 단자들에서의 교류 전압(Vappl)의 진폭을 감지하기 위해 구성된 전압 센서;
(b) 코일 단자와 직렬로 연결되고 상기 코일 단자들을 통한 교류 전류(I)의 진폭을 감지하기 위해 구성되는 전류 센서;
(c) 상기 코일 단자들에 연결되고 상기 교류 전압(Vappl)과 상기 교류 전류(I) 사이의 위상 각도(φpf)를 감지하기 위해 구성된 위상 검출기 회로; 및
(d) (i) 수학식 에 따라서 Im을 계산하고;
(ⅱ) 수학식 에 따라서 (Vind)I를 계산하고;
(ⅲ) 수학식 에 따라서 (Vind)L을 계산하고;
(ⅳ) 수학식 에 따라서 변위 진폭(X)을 계산하는데, ω는 Vappl의 라디안 주파수이며;
(v) 선택되고 저장된 최대 변위 진폭보다 작도록 상기 모터의 변위 진폭(X)을 제한하기 위해 구성된 마이크로컴퓨터 회로를 포함하는, 냉동고.
1. A freezer comprising a reciprocating armature of alternating current, a free piston Stirling cooler mechanically connected to and driven by a linear motor, said linear motor comprising a coil having a pair of coil terminals and surrounding a ferromagnetic core with air gaps. The motor also has magnets fixed to the armature and positioned for reciprocating through the gaps, the motor also having a motor constant (α), an equivalent resistance representing the resistance loss in the coil. (R dc ), the equivalent resistance (ΔR extemal ) representing the induced losses in the structures surrounding the motor, and the equivalent resistance (ΔR extemal ) representing the losses due to eddy currents and hysteresis induced by the movement of the magnets by the coil open circuit. R s ), the freezer having a motor controller,
(a) a voltage sensor connected to the coil terminals and configured to sense the amplitude of an alternating voltage (V appl ) at the coil terminals;
(b) a current sensor connected in series with the coil terminals and configured to sense the amplitude of the alternating current (I) through the coil terminals;
(c) a phase detector circuit connected to the coil terminals and configured to sense a phase angle (ϕ pf ) between the alternating voltage (V appl ) and the alternating current (I); and
(d) (i) Equation Calculate I m according to;
(ii) Mathematical formula Calculate (V ind ) I according to;
(iii) Mathematical formula Calculate (V ind ) L according to;
(iv) Mathematical formula Calculate the displacement amplitude (X) according to where ω is the radian frequency of V appl ;
(v) a microcomputer circuit configured to limit the displacement amplitude (X) of the motor to be less than a selected and stored maximum displacement amplitude.
교류 전류의 왕복 전기자, 리니어 모터에 기계적으로 연결되고 이에 의해 구동되는 자유 피스톤 스털링 냉각기를 포함하는 냉동고로서, 상기 리니어 모터는, 한 쌍의 코일 단자들을 가지는 코일을 포함하고 공기 갭들과 함께 강자성 코어 주위에 권선된 고정자를 가지며, 상기 모터는 또한 상기 전기자에 고정되고 상기 갭을 통해 왕복 운동하기 위해 위치되는 자석들을 가지며, 상기 모터는 또한 또한 모터 상수(α), 상기 코일에서의 저항 손실 및 코일 개방 회로에 의한 상기 자석들의 운동에 의해 유도된 와전류 및 히스테리시스로 인한 손실을 나타내는 등가 저항(Rac), 및 상기 모터 또는 교류 발전기를 둘러싸는 구조들에서의 유도 손실을 나타내는 등가 저항(ΔRextemal)을 갖고, 상기 냉동고는 모터 컨트롤러를 갖는, 상기 냉동고로서,
(a) 상기 코일 단자들에 연결되고 상기 코일 단자들에서의 교류 전압(Vappl)의 진폭을 감지하기 위해 구성된 전압 센서;
(b) 코일 단자와 직렬로 연결되고 상기 코일 단자들을 통한 교류 전류(I)의 진폭을 감지하기 위해 구성되는 전류 센서;
(c) 상기 코일 단자들에 연결되고 상기 교류 전압(Vappl)과 상기 교류 전류(I) 사이의 위상 각도(φpf)를 감지하기 위해 구성된 위상 검출기 회로; 및
(d) (i) 수학식 에 따라서 (Vind)I를 계산하고;
(ⅱ) 수학식 에 따라서 (Vind)L을 계산하고;
(ⅲ) 수학식 에 따라서 변위 진폭(X)을 계산하는데, ω는 Vappl의 라디안 주파수이며,
(ⅳ) 선택되고 저장된 최대 변위 진폭보다 작도록 상기 모터의 변위 진폭(X)을 제한하기 위해 구성된 마이크로컴퓨터 회로를 포함하는, 냉동고.
1. A freezer comprising a reciprocating armature of alternating current, a free piston Stirling cooler mechanically connected to and driven by a linear motor, said linear motor comprising a coil having a pair of coil terminals and surrounding a ferromagnetic core with air gaps. Having a stator wound on the an equivalent resistance (R ac ) representing the loss due to eddy current and hysteresis induced by the movement of the magnets by the circuit, and an equivalent resistance (ΔR extemal ) representing the induced loss in structures surrounding the motor or alternator. wherein the freezer has a motor controller,
(a) a voltage sensor connected to the coil terminals and configured to sense the amplitude of an alternating voltage (V appl ) at the coil terminals;
(b) a current sensor connected in series with the coil terminals and configured to sense the amplitude of the alternating current (I) through the coil terminals;
(c) a phase detector circuit connected to the coil terminals and configured to sense a phase angle (ϕ pf ) between the alternating voltage (V appl ) and the alternating current (I); and
(d) (i) Equation Calculate (V ind ) I according to;
(ii) Mathematical formula Calculate (V ind ) L according to;
(iii) Mathematical formula Calculate the displacement amplitude (X) according to where ω is the radian frequency of V appl ,
(iv) a microcomputer circuit configured to limit the displacement amplitude (X) of the motor to be less than a selected and stored maximum displacement amplitude.
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